когда ионизирующая способность альфа частиц меньше чем гамма излучения

Виды радиоактивных излучений

Навигация по статье:

Радиация и виды радиоактивных излучений, состав радиоактивного (ионизирующего) излучения и его основные характеристики. Действие радиации на вещество.

Что такое радиация

Для начала дадим определение, что такое радиация:

Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.

Альфа излучение

Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.

Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света. Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.

Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.

Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.

Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения. Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие. Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.

Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.

Нейтронное излучение

Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.

Бета излучение

Бета (β) излучение возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома вещества с изменением свойств протонов и нейтронов.

При бета излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона), в зависимости от вида превращения. Скорость излучаемых элементов приближается к скорости света и примерно равна 300 000 км/с. Излучаемые при этом элементы называются бета частицы.

Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета излучение обладает более высокой проникающей способностью чем альфа излучение, но обладает в сотни раз меньшей способность ионизировать вещество по сравнению с альфа излучением.

Бета радиация с легкостью проникает сквозь одежду и частично сквозь живые ткани, но при прохождении через более плотные структуры вещества, например, через металл, начинает с ним более интенсивно взаимодействовать и теряет большую часть своей энергии передавая ее элементам вещества. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение.

Если альфа радиация представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета излучение в зависимости от его интенсивности, уже может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации.

Если радиоактивный изотоп, излучающий бета излучение попадает внутрь живого организма, он накапливается в тканях и органах, оказывая на них энергетическое воздействие, приводя к изменениям в структуре тканей и со временем вызывая существенные повреждения.

Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку.

Гамма излучение

Гамма радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света.

Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атом вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма излучения

Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью и с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного сложнее через плотные структуры вещества типа металла. Чтобы остановить гамма излучение потребуется значительная толщина стали или бетона. Но при этом гамма излучение в сто раз слабее оказывает действие на вещество чем бета излучение и десятки тысяч раз слабее чем альфа излучение.

Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны.

Рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, видно, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (альфа, бета и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде гамма и рентгеновского излечения.

Каждое из рассмотренных излучений опасно!

Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации

Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0.1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.

Чем выше «коэффициент k» тем опаснее действие определенного вида радиции для тканей живого организма.

Видео: Виды радиации

Источник

ИОНИЗИРУЮЩАЯ РАДИАЦИЯ

2.1.Ионизирующее излучение

Действие ионизирующих излучений на людей и животных заключается в разрушении живых клеток организма, которое может привести к различной степени заболеваниям, а в некоторых случаях и к смерти. Чтобы оценить влияние ионизирующих излучений на человека (животное), надо учитывать две основных характеристики: ионизирующую и проникающую способности. Давайте рассмотрим эти две способности для альфа-, бета-, гамма- и нейтронного излучений.

2.1.3.Единицы ионизирующих излучений

Для измерения величин, характеризующих ионизирующее излучение, исторически первой появилась единица «рентген». Эта мера экспозиционной дозы рентгеновского или гамма-излучений. Позже для измерения поглощенной дозы излучений добавили «рад».

1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/к = 100 рад = 100 бэр.

Поскольку коэффициент качества бета и гамма-излучений равен 1, то на местности, загрязненной радиоактивными веществами при внешнем облучении 1 Зв = 1 Гр; 1 бэр = 1 рад; 1 рад «1 Р.

Из этого можно сделать вывод, что эквивалентная, поглощенная и экспозиционные дозы для людей, находящихся в средствах защиты на зараженной местности, практически равны.

Мощность эквивалентной дозы, создаваемая естественным излучением (земного и космического происхождения), колеблется в пределах 1,5-2 мЗв/год и плюс искусственные источники (медицина, радиоактивные осадки) от 0,3 до 0,5 мЗв/год. Вот и выходит, что человек в год получает от 2 до 3 мЗв. Эти цифры примерные и зависят от конкретных условий. По другим источникам, они выше и доходят до 5 мЗв/год.

1 Зв=1Гр * 100 рад * 100 бэр « 100Р.

Производственные единицы зиверта: Миллизиверт (мЗв): 1 мЗв= 10-ЗЗв;

2.2.Источники ионизирующего излучения

В природе ионизирующее излучение обычно генерируется в результате спонтанного радиоактивного распада радионуклидов, ядерных реакций (синтез и индуцированное деление ядер, захват протонов, нейтронов, альфа-частиц и др.), а также при ускорении заряженных частиц в космосе (природа такого ускорения космических частиц до конца не ясна). Искусственными источниками ионизирующего излучения являются искусственные радионуклиды (генерируют альфа-, бета- и гамма-излучения), ядерные реакторы (генерируют главным образом нейтронное и гамма-излучение), радионуклидные нейтронные источники, ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также тормозное фотонное излучение), рентгеновские аппараты (генерируют тормозное рентгеновское излучение).

2.3.Действие ионизирующей радиации на живой организм

Для человека в космосе значительную опасность представляет радиация. Защита от нее требуется сразу же, как только останутся позади окружающие Землю атмосфера и магнитные поля. Радиационное излучение в космосе — это поток заряженных и незаряженных частиц и электромагнитного излучения. Такие же условия существуют на Луне, лишенной атмосферы и магнитного поля. В космическом полете наиболее опасна ионизирующая радиация, к которой относятся рентгеновские лучи и гамма-излучение Солнца, частицы, образующиеся во время солнечных (хромосферных) вспышек, солнечный ветер, солнечные, галактические и внегалактические космические лучи, электроны и протоны радиационных поясов, нейтроны и альфа-частицы. К неионизирующей радиации относится инфракрасное и ультрафиолетовое излучения Солнца, видимый свет и электромагнитное излучение радиочастотного диапазона. Эти виды излучения не представляют большой опасности для космонавта, так как сквозь обшивку космического корабля или оболочку скафандра они не проникают.

пути пробега и таким образом разрушают клетки ткани. На микрофотографии показан след частицы с атомным номером Z=24±2 [титан,ванадий, хром, марганец или железо]

Ионизирующая радиация оказывает вредное воздействие на протекающие в клетках человеческого организма жизненные процессы. При прохождении частиц высокой энергии, или фотонов, через вещество на их пути в результате взаимодействия с атомами вещества образуются пары заряженных частиц — ионы. Отсюда и название — ионизирующая радиация. Типичный путь (трек) прохождения через вещество тяжелой ионизирующей частицы (атомный номер Z = 24±2) первичного космического излучения представлен на помещенной выше микрофотографии. На биологическом объекте действие ионизирующей радиации сказывается в значительно большей степени, чем на неживом веществе. Живая ткань представляет собой организацию высокоспециализированных клеток, которые постоянно обновляются. Их обновление — процесс динамический. Неживые

объекты, например камни, являются малоизменяющимися конструкциями из кирпичиков-молекул, как правило, нечувствительных даже к весьма большим дозам ионизирующей радиации. В противоположность этому у живых организмов чувствительность к воздействию ионизирующей радиации тем больше, чем выше уровень их эволюционного развития (см. диаграмму). Особенно чувствительны к радиации клетки кроветворных тканей и костного

мозга.

Механизм радиационных поражений весьма разнообразен и до конца не ясен. Очевидно, часть радиационных поражений связана с механическим

повреждением (разрывом) важных в биологическом отношении молекулярных структур, таких, например, как хромосомы, а часть — со сложными химическими процессами. Первоначально незаряженные осколки молекул превращаются в высокоактивные радикалы, такие, как ОН, НОг и Н.

Они могут рекомбинироваться в Н₂0₂ или вступать в реакцию с

органическими веществами клетки, нарушая клеточный метаболизм.

Таким образом, вероятно, можно сказать, что радиационное поражение клеток происходит как в результате непосредственного повреждения молекул биологически важных веществ (например, дезоксирибонуклеиновой кислоты), так и вследствие вторичных химических реакций внутри ядра и протоплазмы. Схема радиационного поражения клетки представлена на рисунке, приведенном на рисунке 4.

Радиация оказывает влияние и на воспроизводительные функции организма, нередко вызывая изменение в генетическом аппарате. О том, в каких формах это может проявляться, выдвинуто немало предположений. По-видимому, существует реальная опасность мутаций в результате изменений в хромосомном аппарате. В зависимости от поглощенной дозы излучения может наступить и бесплодие.

Ценные материалы дает изучение генетических поражений, вызванных радиацией, у животных; однако результаты этих исследований, проводимых главным образом в лабораторных условиях, нельзя переносить на человека, тем более что в условиях космического пространства возникают еще и синергетические эффекты. В лаборатории в Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико) проводилось облучение каждого из 25 последовательных поколений мышей-самцов, доза облучения в 6000 раз превышала обычный для земных условий радиационный фон. В результате этого эксперимента было установлено сокращение числа особей в каждом помете, увеличение числа мертворожденных и случаев рождения особей с водянкой головного мозга; снизилась и выносливость потомства по отношению к стрессовым физическим нагрузкам. На советском искусственном спутнике Земли «Космос-ПО» был проведен длительный медико-биологический эксперимент на двух собаках (самцах, которые находились в условиях орбитального полета в течение 22 дней. После этого у собак обнаружили от 30 до 70% аномальных сперматозоидов, в то время как у контрольных животных количество таких сперматозоидов составило 10—15%. Однако, несмотря на это, собаки, побывавшие в космосе, дали здоровое потомство. Мы имеем мало данных относительно уровней ионизирующей радиации, которой может подвергнуться космический корабль. Все они основываются на результатах экспериментов, полученных во время непродолжительных орбитальных полетов вокруг Земли. Поэтому установить требования к защите от радиации при продолжительных и дальних космических полетах необычайно трудно. Тем не менее, на основании медико-биологических исследований и предполагаемых уровней радиации, существующих в космосе, были определены предельно допустимые дозы радиации для космонавтов, участвующих в выполнении программы «Аполлон». Эти предельно допустимые дозы составляют 980 бэр для ступней ног, лодыжек (голеностопных суставов) и кистей рук, 700 бэр для кожного покрова (всего тела), 200 бэр для кроветворных органов и 200 бэр для глаз. Результаты экспериментов на растениях и других биологических объектах, которые проводились на американском спутнике для биологических исследований космического пространства «Биос-2», запущенном 7 сентября 1967 года, показали, что в условиях невесомости влияние радиации усиливается (синергизм). Если эти данные подтвердятся, то опасность космической радиации для человека, вероятно, окажется большей, чем предполагалось первоначально. Вероятно, она будет более губительна для молодых быстро делящихся клеток или для активных половых клеток. После определения эффекта от совместного воздействия невесомости и радиации на дрозофил (плодовых мушек), мучных жучков, ос, оранжевую хлебную плесень и другие биологические объекты, имевшиеся в капсуле «Биос-2», ученые пришли к выводу, что в условиях космоса живой организм более чувствителен к радиации, чем на Земле.

Увеличение веса экранов не поможет решить проблему, так как при прохождении электронов высоких энергий через металлы генерируется рентгеновское излучение (явление, известное как «тормозное излучение»). Когда корабль проходит через магнитные пояса, в нем возникают мощные потоки вторичной радиации. Другого рода вторичная радиация (потоки мезонов, каскадных и испарительных нейтронов, а также протонов отдачи) возникает в результате ядерных взаимодействий в экранирующем материале. Все эти виды вторичной радиации представляют потенциальную опасность для космонавтов. Если эта опасность велика, для защиты от вторичной радиации в будущих космических кораблях придется делать внутренние экраны. Может быть, вокруг космического корабля будут создаваться искусственные магнитные поля, которые защитят корабль подобно тому, как Землю защищают окружающие ее магнитные пояса

Корпус корабля «Аполлон», сделанный в основном из алюминия, нержавеющейстали и фенольно-эпоксидных смол, создает экран плотностью

7,5 г/см2. Такого экрана достаточно для защиты трех космонавтов от обычной солнечной радиации. Самая мощная из зарегистрированных до сих пор солнечных вспышек создала бы для космонавтов внутри этого корабля дозу облучения всего лишь в 70 mrad. Лунный же модуль корабля «Аполлон» имеет экран плотностью всего лишь 1,5 г/см₂, который для защиты космонавтов от таких солнечных вспышек недостаточен. В настоящее время ведутся большие работы по изысканию фармакологических средств защиты человека от облучения. Среди множества исследуемых препаратов можно назвать цистамин, цистеин, глутатион и аминоэтилизотиуроний. Однако применение этих препаратов в силу ряда причин не дает особенно эффективных результатов. Дело в том, что, во-первых, большинство экспериментов проводилось на животных и в наземных условиях, а во-вторых, такие препараты необходимо вводить в организм человека до начала облучения. Кроме того, существует проблема токсичности этих препаратов. К тому же с помощью фармакологических средств можно обеспечить человеку защиту от рентгеновских лучей и гамма-излучения, но не от сильного ионизирующего излучения альфа-частиц, протонов и быстрых нейтронов.

Следует отметить, что дозы облучения на Луне, вероятно, невелики, но, чтобы не подвергать космонавтов риску облучения во время экспедиций на Луну, необходимы тщательные расчеты по предсказанию солнечных вспышек.

2.3.1.Галактические космические лучи (ГКЛ)

Галактические космические лучи (ГКЛ) состоят из ядер различных химических элементов с кинетической энергией Е более нескольких десятков МэВ/нуклон, а также электронов и позитронов с £>10 МэВ. Эти частицы приходят в межпланетное пространство из межзвёздной среды. Источником этих частиц являются сверхновые звезды нашей Галактики. Возможно, однако, что в области £

Дата добавления: 2015-06-10 ; просмотров: 6584 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Когда ионизирующая способность альфа частиц меньше чем гамма излучения

Заряд атомного ядра любого химического элемента, выраженный в элементарных зарядах, равен атомному номеру Z этого элемента в Периодической системе Д. Менделеева. Заряд ядра слагается из зарядов протонов, следовательно, число протонов в атомном ядре равно атомному номеру элемента.

Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Поэтому сумма чисел протонов и нейтронов должна быть равна массовому числу атома:

Число нейтронов в ядре равно разности между массовым числом и порядковым номером элемента.

Атомы, ядра которых имеют одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, называются изотопами. Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек и, следовательно, одинаковые химические свойства.

Наиболее устойчивы ядра легких элементов, состоящие из приблизительно одинакового числа нейтронов и протонов. У самых тяжелых элементов (расположенных в Периодической системе после висмута), ядра которых состоят из большого числа нуклонов с преобладанием нейтронов, ядерные силы уже не обеспечивают устойчивости ядра. Такие ядра самопроизвольно распадаются, превращаясь в ядра более легких элементов. Это явление называется естественной радиоактивностью.

Альфа-лучи отклоняются электрическими и магнитными полями (Рис. 4.3.1) и представляют собой поток атомных ядер гелия (альфа-частицы).

Рис. 4.3.1. Влияние магнитного поля (направлено перпендикулярно
плоскости чертежа к наблюдателю) на радиоактивные излучения

Каждая альфа-частица имеет заряд +2е и обладает массовым числом 4. Альфа-частицы вылетают из ядер радиоактивных элементов со скоростями от 14000 до 20000 км/c, что соответствует энергиям от 4 до 9 МэВ.

Пролетая сквозь вещество, альфа-частица ионизирует его атомы, действуя на них своим электрическим полем, т.е. выбивает электроны из атомов вещества. Израсходовав энергию на ионизацию, альфа-частица замедляется и захватывает два электрона из числа свободных в веществе, превращаясь в атом газа гелия. Путь, проходимый альфа-частицей в веществе (до остановки), называется ее пробегом или проникающей способностью, а число пар ионов, созданных в процессе пробега, называется ее ионизирующей способностью. Чем больше ионизирующая способность, тем меньше пробег частицы в веществе.

Пробег альфа-частиц в воздухе при нормальных условиях составляет 3-9 см, а их ионизирующая способность составляет 100000-250000 пар ионов (в среднем 30000 пар ионов на 1 см пробега). Альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью и небольшой проникающей способностью.

Альфа-лучи полностью поглощаются слоем алюминия толщиной 0,06 см или слоем биологической ткани толщиной 0,12 см.

Бета-лучи отклоняются электрическими и магнитными полями; представляют собой поток быстрых электронов и называются β-частицами. Их масса в 7360 раз меньше массы α-частицы. Средняя скорость β-частиц составляет около 160000 км/c. Из Рис. 4.3.1 следует, что β-частицы отклоняются магнитным полем в сторону, противоположную отклонению α-частиц, что объясняется противоположностью заряда.

В отличие от альфа-лучей, β-излучение содержит частицы со всевозможными значениями энергии (всевозможными значениями скорости). Ядра одного и того же радиоактивного элемента выбрасывают β-частицы и со скоростью, близкой к нулю, и со скоростью, близкой к скорости света. Энергия β-частиц лежит в пределах от сотых долей до нескольких МэВ.

Являясь жестким электромагнитным излучением, γ-лучи по своим свойствам походят на характеристическое рентгеновское излучение. Они не отклоняются электрическими и магнитными полями, распространяются со скоростью света, при прохождении через кристаллы испытывают дифракцию. В отличие от рентгеновского излучения, γ-лучи испускаются атомным ядром.

4.3.3. Законы альфа- и бета- распада

Радиоактивные излучения возникают в результате распада радиоактивных элементов. Очевидно, что атомы излучающего элемента должны превращаться в атомы другого химического элемента.

При испускании β-частицы заряд ядра увеличивается на единицу, а масса практически не изменяется. Следовательно, по мере β-распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент с атомным номером, на единицу большим, и с тем же массовым числом.

При β-распаде элемент смещается в Периодической системе на один номер вправо без изменения массового числа.

Схема β-распада:

При α-распаде элемент смещается в периодической системе на два номера влево с уменьшением массового числа на четыре единицы:

Радиоактивный распад ведет к постепенному уменьшению числа атомов радиоактивного элемента. Он носит случайный характер в том смысле, что нельзя предсказать, какой именно атом и когда распадется. Можно говорить только о вероятности такого распада.

Число атомов, распадающихся за некоторое время, оказалось пропорциональным общему числу атомов и времни:

Интегрируя (4.3.6), получим:

Соотношение (4.3.7) называется законом радиоактивного распада (Рис. 4.3.2).

Рис. 4.3.2. Кривая радиоактивного распада

Для характеристики быстроты распада вводится понятие периода полураспада Т:

Периодом полураспада называется время, в течение которого количество атомов исходного элемента уменьшается вдвое.

Величина, обратная постоянной распада, называется средним временем жизни радиоактивного атома:

Следовательно, Т = τln2, откуда τ = Т/ ln2 = 1,44T, т.е. среднее время жизни приблизительно в полтора раза больше периода полураспада.

Число атомных распадов, совершающихся в радиоактивном элементе за 1 с, называется активностью этого элемента:

Можно показать, что выполняется:

Таким образом, активность элемента пропорциональна его количеству и обратно пропорциональна периоду полураспада. За единицу активности принята активность 1 г радия (1 Кюри):

1 Ku = 3,7·10 10 расп/c.

Продукт радиоактивного распада может быть сам радиоактивным. Поэтому процесс радиоактивного распада проходит ряд промежуточных стадий, образуя цепочку радиоактивных элементов, заканчивающуюся стабильным элементом. Такая цепочка элементов называется радиоактивным семейством.

Единицей активности является Беккерель (Бк) это ;

Наиболее употребительная единица активности Кюри (Ки)

Позитрон – это частица, имеющая заряд как у электрона, но положительный

Например, распад изотопа фосфора:

При электронном захвате происходит захват ядром одного из электронов, с внутренней оболочки атома. В результате протон атома превращается в нейтрон.

Дочерний элемент смещается влево в таблице Менделеева

При электронном захвате протон превращается в нейтрон

При распаде могут идти и α и β распады

4.3.5. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом.

Основным механизмом потерь энергии заряженных частиц (α и β) при прохождении через вещество, является ионизационное торможение. Кинетическая энергия частиц расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды. Это количественно оценивается следующими параметрами: линейной плотностью ионизации i, линейной тормозной способностью вещества S, средним линейным пробегом.

Кроме ионизации и возбуждения, β частицы вызывают другие процессы:

1. Взаимодействуя с электрическим полем ядра, заряженная частица тормозится и излучает тормозное рентгеновское излучение, спектр, которого показан на рис.4.3.3

2. Если электрон движется в среде со скоростью, превышающей скорость распространения света в этой среде, то возникает характерное Черенковское излучение (излучение Черенкова –Вавилова).

4.3.6. Взаимодействие гамма – излучения с веществом.

При радиоактивном распаде, ядра испускают гамма – кванты с энергией в пределах от нескольких кэВ до нескольких МэВ. Гамма – кванты при прохождении через вещество теряют энергию практически за счет трёх эффектов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), комптоновского рассеивания (комптон- эффект), образования электронно-позитронных пар (образование пар). Величина каждого эффекта зависит от атомного номера поглощающего материала и энергии фотона.

Фотоэлектрическое поглощение.

Комптоновский эффект.

Если энергия γ-квантов больше 1,022 МэВ, то избыток её передаётся частицам. Тогда кинетическая энергия образующихся частиц E k равна разности между энергией фотона Eγ и удвоенной энергией покоя электрона:

4.3.7. Закон ослабления гамма –излучения веществом

Пучок гамма лучей поглощается непрерывно с увеличением толщины поглотителя; его интенсивность не обращается в нуль ни при каких толщинах поглотителя. Это значит, что какой бы ни была толщина слоя вещества, нельзя полностью поглотить поток гамма-лучей, а можно только ослабить его интенсивность на любое заданное число раз.

На рис. 4.3.9 показана зависимость ослабления гамма-излучения от толщины поглотителя. Механизм ослабления гамма- излучения показан рис.10. Последовательно проходят три вида рассеяния гамма- кванта атомом вещества. Вначале идет процесс образования пар, затем комптоновское рассеяние и фотоэлектрическое поглощения. При последнем взаимодействии с веществом энергия гамма кванта становится меньше работы ионизации атома и слабый гамма- квант встречаясь с атомом вещества просто рассеивается. Последний процесс называется когерентным рассеянием.

Зная слой половинного ослабления, можно довольно легко определить, какой нужно взять поглотитель, чтобы ослабить излучение в данное число раз.

Δ1/2n, чтобы 2 n =512. В нашем случае n=9, т.е. 9 слоев половинного ослабления уменьшают интенсивность излучения в 512 раз.

4.3.8. Методы обнаружения и регистрации ионизирующих излучений.

1. Ионизационные детекторы излучения

Ионизационные детекторы излучения – камера, заполненная воздухом или газом с электродами для создания электрического поля (рис. 4.3.10). При отсутствии U напряжения между электродами в цепи тока нет, так как газ, это хороший изолятор. При попадание заряженных (α, β) частиц в газ образуются ионные пары, и газ становится проводником электрического поля. В начале, когда U=0 на электродах все ионы, созданные начальной ионизацией, полностью рекомбинируются в нейтральные молекулы. При возрастании напряжения, ионы приобретают направленное действие: положительные собираются на катоде, а отрицательные на аноде. В цепи возникает ионизационный ток, который может быть зарегистрирован прибором.

Величина ионизационного тока служит мерой количества излучения. На рисунке 4.3.11 показана зависимость силы ионизационного тока от напряжения, приложенного к электродам детектора. Такая зависимость называется вольт- амперной характеристикой ионизационного детектора. На участке 1 существует два процесса: образование заряженных частиц- ионов и рекомбинация ионов. С ростом напряжения процесс рекомбинации уменьшается, и все образующиеся ионы достигают электроды – 2 участок.

Величина тока на 2 участке зависит только от ионизационной способности, влетающих заряженных частиц. Так α – частица, образованная большим ионизирующим действием, соответствует верхняя кривая. Область 2 называется областью ионизационной камеры.

На участке 4 строгая пропорциональность между числом первично-образованных ионов и силой ионизационного тока нарушается. Поэтому её называют областью ограниченной пропорциональности.

На участке 5 при ещё больших напряжениях, сила нарастающего тока уже не зависит от числа первично образовавших ионов. Коэффициент газового усиления достигает 10 8 – 10 10 и при появлении в камере детектора хотя бы одной ядерной частицы происходит вспышка самостоятельного газового разряда, которая охватывает всю камеру. Этот участок называется областью Гейгера. Счетчики, работающие в этой области, называются счетчиками Гейгера- Мюллера.

В области 6 при большом напряжении в детекторе наблюдается постоянный непрерывный разряд и детектор выходит из строя.

2. Пропорциональные счетчики

Пропорциональные счетчики работают на участке 3. Наличие пропорциональности усиления в счетчиках, позволяет определить энергию ядерных частиц и изучить их природу. Обычно пропорциональный счетчик делают в виде цилиндра, вдоль оси которого натягивают металлическую нить – анод (рис. 4.3.12). Проводящее покрытие внутренней поверхности цилиндра служит катодом. При таком устройстве все электрическое поле сосредоточено около нити и его максимальное значение оказывается тем выше, чем меньше радиус нити (рис. 4.3.13).

Пропорциональные счетчики изготовляют и торцевого типа (рис.4.3.14). Чтобы обеспечить проникновение в полость счетчика альфа- частиц, входное слюдяное окно делают очень тонким (4-10)мкм. Наполняют счетчик смесью неона с аргоном почто до уровня атмосферного давления. Есть счетчики открытые, рабочая полость которых сообщается с внешним воздухом. Такие счетчики работают при атмосферном давлении, они допускают непрерывное протекание или циркуляцию наполняющего их газа и поэтому их часто используют для регистрации активности газовых проб.

3. Характеристики счетчика

Счетная характеристика выражает зависимость скорости счета (числа имп/мин) от напряжения, приложенного к счетчику. Область напряжений, в которой устанавливается постоянство скорости счета в единицу времени называется «плато счетчика». Чем больше протяженность и меньше наклон плато, тем лучше счетчик (рис.4.3.15).

В самогасящих счетчиках протяженность плато 200-300 В, наклон 3-5%.

Сцинтилляционный (люминесцентный) метод регистрации излучений.

При переходе атомов из возбужденного состояния или из ионизированного состояния в основное высвечивается энергия в виде вспышки света (сцинтилляции), которая может быть зарегистрирована, например, преобразуя энергию света в электрический сигнал с помощью фотоэлектрического умножителя (ФЭУ). Схема устройства сцинтилляционного счетчика показана на рисунке 4.3.16.

Под действием светового импульса, возникшего в сцинтилляторе, из фотокатода за счет фотоэффекта выбиваются электроны, которые собираются электрическим полем и направляются на первый динод, ускоряясь до энергии, достаточной для выбивания вторичных электронов из следующего динода и т.д. Таким образом, лавина электронов возрастает от катода к аноду; происходит преобразование очень слабых световых вспышек, возникающих в сцинтилляторе, в регистрируемые электрические импульсы.

Полупроводниковые детекторы (ППД) ионизирующих излучений представляют собой твердотельную ионизационную камеру, в которой роль носителей электрического заряда выполняют электроны и дырки. Под действием ионизирующего излучения в ППД образуется электрический ток. По величине тока определяют величину ионизирующего излучения.

Фотографический метод основан на определении степени почернения фотоэмульсии под действием ионизирующего излучения. Степень почернения фотоэмульсии фотопластинки пропорциональна дозе излучения. На этом принципе основан дозиметрический фото контроль (ИФК) для лиц, работающих с бета- и гамма- излучением.

Химические методы основаны на регистрации тех или иных изменений, возникающих под влиянием излучений. Например, изменение цвета, выделение газов, осаждение коллоидных растворов и т.д. Степень изменения пропорциональна поглощенной энергии излучения. Широкое распространение получил ферросульфатный и цериевый дозиметры, основанный на окислении под воздействием излучений двухвалентного иона железа в трехвалентный. В цериевом дозиметре определяют концентрацию церия до и после облучения.

Калориметрический метод основан на измерении с помощью специальных калориметров тепловой энергии, выделяющейся при поглощении энергии излучения в веществе.

Приборы для измерения излучений и их назначение.

Приборы для измерения ионизирующего излучения можно условно разделить на три категории: радиометрические (радиометры), дозиметрические (дозиметры), блоки и устройства электронной аппаратуры для ядерно- физических исследований.

Радиометры – это приборы с газоразрядными, сцинтилляционными счетчиками и другими детекторами, предназначенные для измерения активности радиоактивных препаратов и источников излучения, для определения плотности потока или интенсивности ионизирующих частиц и квантов, поверхностной радиоактивности предметов, удельной активности аэрозолей, газов и жидкостей.

Дозиметры (рентгенометры ) – приборы, измеряющие экспозиционную и поглощенную дозы излучения или соответствующие мощности доз. Дозиметры состоят из трех основных частей: детектора, радиотехнической схемы, усиливающей ионизационный ток, и регистрируемого (измерительного) устройства.

По принципу действия дозиметры можно разделить на две группы. Первую группы составляют дозиметры, измеряющие мощность дозы в рентгенах в единицу времени, так называемые измерители мощности дозы. Ко второй группе относят интегрирующие дозиметры, измеряющие дозу излучения за какой-либо промежуток времени. Детектором излучения в измерителях мощности дозы могут быть ионизационные камеры, газоразрядный или сцинтилляционный счетчик. В качестве детектора в интегрирующих приборах обычно применяют ионизационные камеры.

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2015

Источник